Tunable Nanoscale आयाम और संरचना के साथ मैंगनीज फेराइट क्लस्टर के स्थिर जलीय निलंबन
Summary
हम मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) के एक-पॉट हाइड्रोथर्मल संश्लेषण की रिपोर्ट करते हैं जो भौतिक आयाम और संरचना पर स्वतंत्र नियंत्रण प्रदान करता है। चुंबकीय पृथक्करण तेजी से शुद्धिकरण की अनुमति देता है जबकि सल्फोनेटेड पॉलिमर का उपयोग करके सतह कार्यात्मकता यह सुनिश्चित करती है कि सामग्री जैविक रूप से प्रासंगिक माध्यम में गैर-एकत्रित हो रही है। परिणामी उत्पादों को बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए अच्छी तरह से तैनात किया गया है।
Abstract
मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) सैकड़ों प्राथमिक नैनोक्रिस्टल के लिए दसियों की गोलाकार असेंबली हैं जिनके चुंबकीय गुण विविध अनुप्रयोगों में मूल्यवान हैं। यहां हम वर्णन करते हैं कि इन सामग्रियों को एक हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया में कैसे बनाया जाए जो उत्पाद क्लस्टर आकार (30 से 120 एनएम तक) और परिणामी सामग्री की मैंगनीज सामग्री के स्वतंत्र नियंत्रण की अनुमति देता है। अल्कोहल प्रतिक्रिया मीडिया में जोड़े गए पानी की कुल मात्रा और लोहे के अग्रदूत के लिए मैंगनीज का अनुपात जैसे पैरामीटर कई प्रकार के एमएफसी नैनोस्केल उत्पादों को प्राप्त करने में महत्वपूर्ण कारक हैं। एक तेजी से शुद्धिकरण विधि चुंबकीय पृथक्करण का उपयोग करती है ताकि चुंबकीय नैनोमटेरियल्स के ग्राम के उत्पादन को काफी कुशल बनाने वाली सामग्रियों को पुनर्प्राप्त किया जा सके। हम इन nanomaterials की सतह पर अत्यधिक चार्ज सल्फोनेट पॉलिमर लागू करके चुंबकीय nanomaterial एकत्रीकरण की चुनौती को दूर कोलाइडली स्थिर MFCs कि अत्यधिक खारा वातावरण में भी गैर-एकत्रित रहते हैं उपज. ये गैर-एकत्रित, समान, और ट्यूनेबल सामग्री बायोमेडिकल और पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए उत्कृष्ट संभावित सामग्री हैं।
Introduction
लौह ऑक्साइड जाली में एक डोपंत के रूप में मैंगनीज को शामिल करने से, उचित परिस्थितियों में, शुद्ध लौह ऑक्साइड की तुलना में उच्च लागू क्षेत्रों में सामग्री के चुंबकत्व में वृद्धि हो सकती है। नतीजतन, मैंगनीज फेराइट (MnxFe3-xO4) नैनोकणों उनके उच्च संतृप्ति चुंबकत्व, बाहरी क्षेत्रों के लिए मजबूत प्रतिक्रिया, और कम cytotoxicity1,2,3,4,5 के कारण अत्यधिक वांछनीय चुंबकीय nanomaterials हैं। एकल डोमेन नैनोक्रिस्टल के साथ-साथ इन नैनोक्रिस्टल के समूहों, जिन्हें मल्टीडोमेन कण कहा जाता है, दोनों की जांच विभिन्न जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में की गई है, जिसमें दवा वितरण, कैंसर के उपचार के लिए चुंबकीय हाइपरथर्मिया और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) 6,7,8 शामिल हैं। उदाहरण के लिए, 2017 में हाइओन समूह ने कैंसर हाइपोक्सिया को प्रेरित करने के लिए एक फेंटन उत्प्रेरक के रूप में एकल डोमेन मैंगनीज फेराइट नैनोकणों का उपयोग किया और एमआरआई ट्रैकिंग 9 के लिए सामग्री के टी 2 कॉन्ट्रास्ट का शोषण किया। फेराइट सामग्री के इन और अन्य सकारात्मक अध्ययनों के प्रकाश में यह आश्चर्यजनक है कि शुद्ध लौह ऑक्साइड (Fe3O4) नैनोमटेरियल्स की तुलना में विवो प्रदर्शनों में कुछ ही हैं, और मनुष्यों में कोई रिपोर्ट नहीं किया गया है9,10।
क्लिनिक में फेराइट नैनोमैटेरियल्स की विशेषताओं का अनुवाद करने में सामना की जाने वाली एक बड़ी चुनौती समान, गैर-एकत्रित, नैनोस्केल क्लस्टर 11,12,13,14 की पीढ़ी है। जबकि मोनोडोमेन नैनोक्रिस्टल के लिए पारंपरिक सिंथेटिक दृष्टिकोण अच्छी तरह से विकसित हैं, इस काम में रुचि के प्रकार के मल्टीडोमेन क्लस्टर आसानी से एक समान और नियंत्रित फैशन 15,16 में उत्पादित नहीं होते हैं। इसके अतिरिक्त, फेराइट संरचना आमतौर पर गैर-स्टोइकोमेट्रिक होती है और केवल अग्रदूतों की शुरुआती एकाग्रता से संबंधित नहीं होती है और यह इन सामग्रियों के व्यवस्थित संरचना-फ़ंक्शन लक्षण वर्णन को और अस्पष्ट कर सकती है9,12,13,17। यहां, हम एक सिंथेटिक दृष्टिकोण का प्रदर्शन करके इन मुद्दों को संबोधित करते हैं जो मैंगनीज फेराइट नैनोमैटेरियल्स के क्लस्टर आयाम और संरचना दोनों पर स्वतंत्र नियंत्रण पैदा करता है।
यह काम फेराइट नैनोमटेरियल्स 18,19,20 की खराब कोलाइडल स्थिरता को दूर करने के लिए एक साधन भी प्रदान करता है। चुंबकीय नैनोकणों आम तौर पर मजबूत कण कण आकर्षण के कारण एकत्रीकरण के लिए प्रवण हैं; फेराइट इस समस्या से अधिक पीड़ित हैं क्योंकि उनके बड़े शुद्ध चुंबकत्व कण एकत्रीकरण को बढ़ाते हैं। प्रासंगिक जैविक मीडिया में, ये सामग्री बड़े पर्याप्त समुच्चय उत्पन्न करती हैं जो सामग्री तेजी से एकत्र होती हैं, जिससे जानवरों या लोगों के संपर्क के उनके मार्गों को सीमित किया जा सकता है20,21,22। हिल्ट एट अल. मैग्नेटोथर्मल हीटिंग और डाई क्षरण 23 के अपने अध्ययन में कण-कण एकत्रीकरण का एक और परिणाम पाया। थोड़ा अधिक कण सांद्रता, या क्षेत्र के संपर्क में आने के समय में वृद्धि पर, सामग्री की प्रभावशीलता कम हो गई थी क्योंकि समय के साथ एकत्रित सामग्री और सक्रिय कण सतह क्षेत्रों में कमी आई थी। ये और अन्य अनुप्रयोगों को स्टेरिक बाधाओं को प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए क्लस्टर सतहों से लाभ होगा जो कण-कण इंटरैक्शन को रोकते हैं24,25।
यहां हम नियंत्रणीय आयामों और संरचना के साथ मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) को संश्लेषित करने के लिए एक सिंथेटिक दृष्टिकोण की रिपोर्ट करते हैं। इन मल्टीडोमेन कणों में प्राथमिक मैंगनीज फेराइट नैनोक्रिस्टल की एक असेंबली होती है जो कठिन एकत्रित होती है; प्राथमिक नैनोक्रिस्टल का करीबी संबंध उनके चुंबकीय गुणों को बढ़ाता है और एक समग्र क्लस्टर आकार, 50-300 एनएम के लिए प्रदान करता है, जो नैनोमेडिसिन के लिए इष्टतम आयामों से अच्छी तरह से मेल खाता है। पानी और मैंगनीज क्लोराइड अग्रदूत की मात्रा को बदलकर, हम स्वतंत्र रूप से समग्र व्यास और संरचना को नियंत्रित कर सकते हैं। विधि सरल और कुशल एक-पॉट हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है जो लगातार प्रयोग और सामग्री अनुकूलन की अनुमति देती है। इन एमएफसी को आसानी से एक केंद्रित उत्पाद समाधान में शुद्ध किया जा सकता है, जिसे आगे सल्फोनेटेड पॉलिमर द्वारा संशोधित किया जाता है जो कोलाइडल स्थिरता प्रदान करते हैं। उनकी tunability, एकरूपता, और समाधान चरण स्थिरता जैव चिकित्सा और पर्यावरण इंजीनियरिंग में nanomaterials के अनुप्रयोगों में महान मूल्य की सभी विशेषताएं हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह काम मैंगनीज फेराइट नैनोक्रिस्टल के एक संशोधित पॉलीओल संश्लेषण को प्रदर्शित करता है जो एक साथ समान नैनोस्केल समुच्चय 29 में क्लस्टर किया गया है। इस संश्लेषण में, लौह (III) क्लोराइड और मैंगनीज (II)…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को ब्राउन विश्वविद्यालय और उन्नत ऊर्जा कंसोर्टियम द्वारा उदारतापूर्वक समर्थित किया गया था। हम कृतज्ञतापूर्वक आयरन ऑक्साइड एमएफसी की अपनी स्थापित सिंथेटिक विधि के लिए डॉ किंगबो झांग को धन्यवाद देते हैं।
Materials
| 0.1 Micron Vaccum Filtration Filter | Thermo Fisher Scientific | NC9902431 | for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution |
| 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS, 99%) | Sigma-Aldrich | 282731-250G | reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media |
| 2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) | Sigma-Aldrich | 441090-100G | reagent used in copolymer making as the free ridical generator |
| 4-Morpholineethanesulfonic acid, 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | Sigma-Aldrich | M3671-250G | acidic buffer used to stabilize nanocluster surface coating process |
| Acrylic acid | Sigma-Aldrich | 147230-100G | reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; anhydrous, contains 200 ppm MEHQ as inhibitor, 99% |
| Analytical Balance | Avantor | VWR-205AC | used to weigh out solid chemical reagents for use in synthesis and dilution |
| Digital Sonifier and Probe | Branson | B450 | used to sonicate nanocluster solution during surface coating to break up aggregates |
| Dopamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | H8502-25G | used in surface coating for ligand exchange reaction |
| Ethylene glycol (anhydrous, 99.8%) | Sigma-Aldrich | 324558-2L | reagent used as solvent in hydrothermal synthesis of nanoclusters |
| Glass Vials (20mL) | Premium Vials | B1015 | container for nanocluster solution during washing and surface coating as well as polymer solutions |
| Graduated Beaker (100mL) | Corning | 1000-100 | container for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis (to be transferred into autoclave reactor before oven) |
| Handheld Magnet | MSC Industrial Supply, Inc. | 92673904 | 1/2" Long x 1/2" Wide x 1/8" High, 5 Poles, Rectangular Neodymium Magnet low strength magnet used to precipitate nanoclusters from solution (field strength is increased with steel wool when needed) |
| Hydrochloric acid (ACS grade, 37%) | Fisher Scientific | 7647-01-0 | for removing leftover nanocluster debris and cleaning autoclave reactors for next use |
| Hydrothermal Autoclave Reactor | Toption | TOPT-HP500 | container for finished reagent mixture to withstand high temperature and pressure created by the oven in hydrothermal synthesis |
| Iron(III) Chloride Hexahydrate (FeCl3·6H2O, ACS reagent, 97%) | ACS | 236489-500G | reagent used in synthesis of nanoclusters as source of iron (III) that becomes iron (II) in finished nanocluster product (keep dry and weigh out quickly to avoid water contamination) |
| Labware Washer Brushes | Fisher Scientific | 13-641-708 | used to wash and clean glassware before synthesis |
| Magnetic Stir Plate | Thermo Fisher Scientific | 50093538 | for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis |
| Manganese chloride tetrahydrate (MnCl2·4H2O, 99.0%, crystals, ACS) | Sigma-Aldrich | 1375127-2G | reagent used in synthesis of nanoclusters as source of manganese |
| Micropipette (100-1000μL) | Thermo Fisher Scientific | FF-1000 | for transferring liquid reagents such as water and manganese chloride |
| N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma-Aldrich | 25952-53-8 | used in surface coating to assist in ligand exchange of copolymer (keep bulk chemical in freezer and diluted solution in refrigerator) |
| N,N-Dimethylformamide (DMF) | Sigma-Aldrich | 227056-2L | reagent used in copolymer making as the solvent |
| Polyacrylic acid sodium salt (PAA, Mw~6,000) | PolyScience Inc. | 06567-250 | reagent used in hydrothermal synthesis to initially coat the nanoclusters (eventually replaced in surface coating step) |
| Poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate | Sigma-Aldrich | 454990-250ML | reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; average Mn 480, contains 100 ppm BHT as inhibitor, 100 ppm MEHQ as inhibitor |
| Reagents Acetone, 4L, ACS Reagent | Cole-Parmer | UX-78920-66 | used as solvent to precipitate nanoclusters during washing |
| Single Channel Pipette, Adjustable 1-10 mL | Eppendorf | 3123000080 | for transferring ethylene glycol and other liquids |
| Steel Wool | Lowe's | 788470 | used to increase the magnetic field strength in the vial to aid in precipitation of nanoclusters for washing and surface coating |
| Stirring Bar | Thomas Scientific | 8608S92 | for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis |
| Table Clamp | Grainger | 29YW53 | for tight sealing of autoclave reactor to withstand high pressure of oven during hyrothermal synthesis |
| Urea (ACS reagent, 99.0%) | Sigma-Aldrich | U5128-500G | reagent used in hydrothermal synthesis to create a basic solution |
| Vaccum Filtration Bottle Tops | Thermo Fisher Scientific | 596-3320 | for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution |
| Vacuum Controller V-850 | Buchi | BU-V850 | for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution |
| Vacuum Oven | Fisher Scientific | 13-262-51 | used to create high temperature and pressure needed for nanocluster formation in hydrothermal synthesis |
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